碳素工具鋼低溫雙輝等離子滲鉻的工藝研究.pdf

1、碳素工具鋼是制造刀具、模具、量具等的常用材料,雖然具有足夠的強(qiáng)度,一定的韌性,成本低廉且加工容易,但表面硬度、耐磨性能遠(yuǎn)不及合金工具鋼,為此,對碳素工具鋼表面進(jìn)行改性,使其表面性能接近、達(dá)到或超過合金工具鋼乃至達(dá)到高合金工具鋼的水平,在節(jié)約資源的同時(shí)拓展碳素工具鋼的應(yīng)用將有十分重要的意義。雙層輝光(下稱雙輝)等離子滲鉻是表面改性的重要方法之一,具有滲速快,無污染,能耗低等優(yōu)點(diǎn),謦前各種方法滲鉻溫度一般在800℃以上。由于處理溫度高,必將

2、引起工件較大變形甚至使基體組織惡化,且滲鉻后通常還需進(jìn)行滲碳、淬火及回火,將使工藝復(fù)雜化。因此,降低滲鉻溫度、簡化工藝過程是當(dāng)前滲鉻工藝研究的重要方面。雙輝低溫等離子滲鉻將是解決以上問題值得探索的一種工藝方法。
　　本文采用雙輝等離子滲鉻技術(shù),以T10鋼為基材,首次在560℃條件下,系統(tǒng)研究了離子氮化十雙輝等離子滲鉻復(fù)合處理(下稱工藝1)時(shí)的工藝、組織、結(jié)構(gòu)和性能;雙輝等離子滲鉻十離子氮化復(fù)合處理(下稱工藝2)時(shí)的工藝、組織、結(jié)構(gòu)

3、和性能;并對工藝1和工藝2進(jìn)行了比較、分析和研究,結(jié)果表明:
　　(一)工藝1:
　　(1)基材表面形成有效的鉻滲鍍層,滲鍍層由沆積層十?dāng)U散層組成,沉積層組織致密,與基體結(jié)合良好,基體中的組織、結(jié)構(gòu)、晶粒、碳化物等無明顯變化;
　　(2)沉積層鉻含量約48~58％(質(zhì)量分?jǐn)?shù));且含鉻量隨氮化時(shí)間和滲鉻時(shí)間的增加而增加;擴(kuò)散層鉻含量從外向內(nèi)呈梯度分布,并隨氮化時(shí)間與滲鉻時(shí)間的增加而增加。但氮化時(shí)間增加到8h后,鉻含量提高

4、的幅度不明顯;
　　(3)滲鍍層總深度達(dá)20--30um,且隨氮化時(shí)間和滲鉻時(shí)間的增加而增加;
　　(4)滲鍍層表面物相主要由Fe-Cr,CrN,Cr-rC3,Cr23C6組成,剝?nèi)コ练e層后X射線衍射表明,擴(kuò)散層物相主要由Fe-Cr組成;
　　(5)不同時(shí)間氮化后滲鉻,表面顯微硬度約1000-1250HV,硬度向內(nèi)逐步降低,呈梯度分頁,且隨氮化時(shí)間的增加而增加;
　　(6)顯微鏡下觀察維氏硬度壓痕,壓痕清晰,無邊

5、角破損;經(jīng)劃痕試驗(yàn),滲鍍層與基體的結(jié)合較好;
　　(7)基體內(nèi)的氮原子具有固定鉻的作用,能促進(jìn)滲鍍層的鉻含量的提高,可加速鉻向基體內(nèi)的擴(kuò)散;且在T10鋼的相交點(diǎn)下,溫度越低,氮的促滲作用越明顯;
　　(8)滲入的氮原子使基材表面一定范圈內(nèi)出現(xiàn)碳化物溶解現(xiàn)象,氮化時(shí)間越長,碳化物溶解越明顯;
　　(二)工藝2:
　　(1)基材表面也能形成育效鉻滲鍍層,滲鍍層由沉積層十?dāng)U散層組成,沉積層組織致密,與基體結(jié)合良好;

6、r>　　(2)沉積層鉻含量約45~48%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),含鉻量隨滲鉻時(shí)間的增加而增加,擴(kuò)散層鉻含量從外向內(nèi)呈梯度分布,并隨滲鉻時(shí)間的增加而增加;
　　(3)滲鍍層深約15~24um;且隨滲鉻時(shí)間的增加而增加;
　　(4)滲鍍層表面物相主要由Fe—Cr,CrN,Cr7C3,Cr23C6,Fe4N組成,剝?nèi)コ练e層后X射線衍射表明,擴(kuò)散層物相主要由Fe—Cr組成;
　　(5)表面顯微硬度約1200~135HV,硬度向內(nèi)逐步降低

7、,呈梯度分布;
　　(6)顯微鏡下觀察維氏硬度壓痕,壓痕清晰,無明顯邊角破損,但邊角不稅利;經(jīng)劃痕試驗(yàn),滲鍍層與基體的結(jié)合較好;
　　(三)工藝1與工藝2的比較:
　　(1)二者的滲層組織相似,對基體組織均無明顯影響,但工藝1的沉積層下面出現(xiàn)一定程度的碳化物溶解區(qū),而工藝2無此現(xiàn)象;
　　(2)在滲層的同一深度中,工藝1的鉻含量比工藝2的鉻含量高,高約6~15%;
　　(3)工藝1所得滲層深度比工藝2所得滲

8、層深,深度增加約20~25%;
　　(4)工藝2的滲層中出現(xiàn)了鐵的氮化物(Fe4N),其余物相與工藝1的相同;
　　(5)工藝2的滲層表面硬度比工藝1表面硬度高,提高幅度約10~20%;
　　(6)工藝2的滲層脆性比工藝1的滲層脆性略為增加,沉積層與基體的結(jié)合力略為降低;
　　(四)工藝研究結(jié)論:
　　工藝1的滲層較工藝2的滲層具有更好的綜合性能;
　　優(yōu)化工藝與參數(shù)為:氮化55℃×8h+滲鉻56℃×

9、4h,極間距50~60mm,陰極電壓一275~一325V,源極電壓一700~一851V,工作氣體氬氣,工作氣壓25~35Pa;
　　(五)磨損試驗(yàn)結(jié)論:
　　采用工藝1處理的試樣與T10鋼淬火+低溫回火處理試樣進(jìn)行磨粒磨損對比試驗(yàn),結(jié)果表明:
　　(1)滲鍍層厚度大于或等于磨粒粒度時(shí),耐磨性比T10鋼整體淬火+低溫回火處理的試樣高約2.5倍,且耐磨性隨氮化時(shí)間的增加略為提高;
　　(2)滲鍍層厚度小于磨粒粒度時(shí),